磁懸浮試車(chē)架模擬控制板的調(diào)試方法

1、<p>　　磁懸浮試車(chē)架模擬控制板的調(diào)試方法</p><p><b>　　內(nèi)容提要</b></p><p>　　磁懸浮技術(shù)是一門(mén)涉及機(jī)械工程、力學(xué)、電磁技術(shù)、電子技術(shù)、控制工程和計(jì)算機(jī)技術(shù)的綜合技術(shù)，在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。電磁軸承是磁懸浮技術(shù)的典型應(yīng)用，具有無(wú)接觸、無(wú)摩擦、無(wú)磨損、可控制等優(yōu)點(diǎn)，將電磁軸承應(yīng)用于固體發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)，可以解決接觸式支承不可避免

2、的軸向力傳遞過(guò)程中的力損耗問(wèn)題，從而可提高軸向推力測(cè)量的精度和試驗(yàn)架的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，為固體發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的參數(shù)測(cè)量提供新的技術(shù)途徑。電磁軸承的控制技術(shù)是磁懸浮技術(shù)應(yīng)用于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一， 其控制器的設(shè)計(jì)、調(diào)試是整個(gè)項(xiàng)目的關(guān)鍵環(huán)節(jié) 。</p><p>　　本文主要介紹了磁懸浮試車(chē)架模擬控制板的調(diào)試技術(shù)。根據(jù)電路調(diào)試原理，將原理樣機(jī)模擬控制板電路劃分為七個(gè)單元電路，對(duì)電路逐個(gè)進(jìn)行了理論分析，數(shù)字仿真；對(duì)單

3、元電路設(shè)計(jì)了測(cè)試方案，獲得了實(shí)測(cè)的電路數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，對(duì)理論模型進(jìn)行了修正，得到了單元電路的精確模型；設(shè)計(jì)了開(kāi)環(huán)調(diào)試方案，組建了開(kāi)環(huán)調(diào)試系統(tǒng)；進(jìn)行了開(kāi)環(huán)調(diào)試，根據(jù)控制目標(biāo)，更換了部分元器件，使模擬控制電路達(dá)到了性能指標(biāo)要求。</p><p>　　2005年6月1日完成了實(shí)物試驗(yàn)，達(dá)到了控制目標(biāo)。說(shuō)明了測(cè)試過(guò)程中得到的單元電路模型是正確的，開(kāi)環(huán)調(diào)試方法是可行的，建立了一種磁懸浮試車(chē)架模擬控制板的離線調(diào)試方法

4、，為以后相關(guān)型號(hào)固體發(fā)動(dòng)機(jī)地面熱試車(chē)系統(tǒng)提供了快速調(diào)試方法。</p><p><b>　　1概述</b></p><p>　　由于磁懸浮技術(shù)的無(wú)接觸、無(wú)摩擦、可控制的優(yōu)點(diǎn)，806所近年來(lái)密切關(guān)注此項(xiàng)技術(shù)的最新發(fā)展并將磁懸浮試車(chē)架應(yīng)用于地面試驗(yàn)中。磁懸浮試車(chē)架的工作原理是通過(guò)電磁軸承產(chǎn)生電磁力克服發(fā)動(dòng)機(jī)的重力和外界干擾力。磁懸浮試車(chē)架控制系統(tǒng)的功能是測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的軸線徑向

5、位移，并與軸線指定位置比較獲得位移偏差信號(hào)，調(diào)節(jié)供給電磁軸承的電流形成可控電磁力，使發(fā)動(dòng)機(jī)起浮并穩(wěn)定到指定位置。由此看來(lái)，控制器的設(shè)計(jì)、調(diào)試方法是整個(gè)項(xiàng)目研制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。806所于2004年引進(jìn)了磁懸浮試驗(yàn)架原理樣機(jī)，并提出了形成設(shè)計(jì)能力的目標(biāo)。很快仿制了模擬控制板，在第一次調(diào)試試驗(yàn)中基本實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)的起浮但出現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)現(xiàn)象。針對(duì)此問(wèn)題，要求獲得模擬控制板的性能數(shù)據(jù)，并完成模擬控制板的性能調(diào)試，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定懸浮，經(jīng)過(guò)3個(gè)月的緊

6、張工作，基本獲得控制板各電路的性能參數(shù)，建立了電路的精確模型，摸索出一套開(kāi)環(huán)調(diào)試方法。</p><p><b>　　2 電路板調(diào)試原理</b></p><p>　　模擬控制板電路的調(diào)試借鑒了一般電路板測(cè)試方法，借助EWB電路仿真軟件、MATLAB仿真軟件分析各單元電路，進(jìn)行了元器件檢查，完成了開(kāi)環(huán)靜、動(dòng)態(tài)調(diào)試，最后進(jìn)行了全系統(tǒng)調(diào)試。電路板調(diào)試步驟如圖1。</p&

7、gt;<p>　　3 PID模擬控制板的調(diào)試</p><p>　　3．1 單元電路分析</p><p>　　單元電路分解的目標(biāo)是為了獲取系統(tǒng)模型及性能參數(shù)。調(diào)試過(guò)程將整個(gè)電路分為位移調(diào)理電路（調(diào)零和二階濾波電路）、電流調(diào)理電路、PID電路、限幅及正反向電路、脈寬調(diào)制電路（由TL494組成）、IGBT驅(qū)動(dòng)電路（由EXB841電路組成）及電源（±12V，±1

8、5V、4路20 V）等部分，</p><p><b>　　如圖2所示。</b></p><p>　　在單元電路分析過(guò)程中，對(duì)各單元電路分析其原理，計(jì)算其相關(guān)參數(shù)，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并分析了各個(gè)電路的功能。各個(gè)電路分析如下：</p><p><b>　　1）電源電路</b></p><p>　　模擬

9、控制板上的電源電路包括±12V，±15V，20 V輸出。其中+12V電源主要提供參考電壓，給位移調(diào)零電路提供獨(dú)立電壓，并在過(guò)流保護(hù)中應(yīng)用，±15V電源給控制板上各電路芯片供電，20 V電源給IGBT驅(qū)動(dòng)電路的EXB841芯片供電。電源電路原理基本相同，不同電源輸出時(shí)器件略有調(diào)整。</p><p><b>　　2） 位移調(diào)理電路</b></p>&l

10、t;p>　　傳感器信號(hào)調(diào)理電路包括調(diào)零電路和濾波電路。調(diào)零電路功能是將測(cè)量位移信號(hào)與指定位移信號(hào)比較獲得位移誤差信號(hào)，濾波電路功能是對(duì)位移傳感器信號(hào)進(jìn)行濾波，提高測(cè)量信號(hào)質(zhì)量。濾波器選定切比雪夫?yàn)V波器，其放大倍數(shù)為 -1，固有角頻率為3.1K。電路原理圖如圖3所示。</p><p>　　調(diào)零電路數(shù)學(xué)模型為： </p><p><b>　　濾波器數(shù)學(xué)模型為：</b>

11、;</p><p><b>　　3） 電流調(diào)理電路</b></p><p>　　電磁軸承由兩組線圈組成，采用調(diào)節(jié)電流來(lái)獲得可變電磁力，從而控制發(fā)動(dòng)機(jī)位置，因此需要對(duì)兩路電流進(jìn)行測(cè)量并要對(duì)信號(hào)濾波。分析電路</p><p>　　得到放大倍數(shù)為-333倍，濾波器截止角頻率為500。單元電路由信號(hào)放大和濾波電路組成，其電路原理圖如圖4所示。</

12、p><p><b>　　數(shù)學(xué)模型為 </b></p><p><b>　　4）PID電路</b></p><p>　　磁懸浮控制器采用了成熟的比例-積分-微分（PID）控制模式，采用比例環(huán)節(jié)提高系統(tǒng)剛度，微分環(huán)節(jié)增加系統(tǒng)阻尼，積分環(huán)節(jié)消除穩(wěn)態(tài)誤差，因此采用了PID電路，其輸入為位移偏差信號(hào)，并進(jìn)行PID變換調(diào)節(jié)電流信號(hào)，達(dá)到通

13、過(guò)改變偏置電流大小調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的位置達(dá)到穩(wěn)定懸浮和抗干擾的目的。 </p><p>　　常用PID的調(diào)節(jié)電路可有單運(yùn)放PID電路，串并聯(lián)PID電路，全并聯(lián)PID電路。本設(shè)計(jì)為串并聯(lián)PID電路，便于調(diào)節(jié)參數(shù)。圖5將PID電路的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)一步分解并建立其數(shù)學(xué)模型。</p><p>　　P 環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型（設(shè)上電阻為R1，下電阻為10-R1）則有</p><p>　　獲得增益

14、系數(shù)為：P=；</p><p>　　I 環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型（設(shè)上電阻為R）則有</p><p><b>　　獲得積分系數(shù)為：</b></p><p><b>　　;</b></p><p>　　D 環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型（設(shè)上電阻為R）則有</p><p>　　其中R=0~25K，</

15、p><p><b>　　得到微分常數(shù)為：;</b></p><p>　　再經(jīng)過(guò)求和電路，則總的數(shù)學(xué)模型為</p><p><b>　　5）限幅電路</b></p><p>　　由于在PID電路中存在微分環(huán)節(jié)，所以必須對(duì)PID電路的輸出信號(hào)進(jìn)行限幅，限幅電路數(shù)學(xué)模型和原理圖分別如圖6、7所示。</p

16、><p><b>　　PWM電路</b></p><p>　　得到了調(diào)節(jié)電流大小，如果和偏置電流相加，則可直接應(yīng)用。實(shí)際的電流源為開(kāi)關(guān)電源，那么必須將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，采用了494脈寬調(diào)節(jié)電路。</p><p>　　494脈寬調(diào)節(jié)電路有兩路輸入，一路輸入將當(dāng)前電流信號(hào)和控制電流信號(hào)求差后作為輸入，另一路為過(guò)流保護(hù)輸入。輸出為調(diào)制方波信號(hào)。原理

17、電路如圖8所示。</p><p>　　7）IGBT驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　IGBT是一種開(kāi)關(guān)電源，必須采用驅(qū)動(dòng)電路，選用富士的EXB841芯片作為驅(qū)動(dòng)電路。電路原理圖如圖9所示。</p><p>　　通過(guò)單元電路的分析，基本上得到了各單元電路的功能，建立了整個(gè)控制電路的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算得到了各單元電路的性能指標(biāo)。</p><p>　　3．

18、2 電路及元器件的正確性檢查</p><p>　　電路及元器件的正確性檢查主要是為了檢查電路板上的元器件是否和設(shè)計(jì)一致，電路連線是否正確，方法是通過(guò)萬(wàn)用表對(duì)電路板逐點(diǎn)逐元件進(jìn)行檢查，獲得元器件的標(biāo)稱(chēng)值和走線圖。對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，和理論模型比較判別正誤。通過(guò)這部分工作主要發(fā)現(xiàn)電路板中電源部分和芯片濾波電容標(biāo)稱(chēng)值偏小，抗干擾能力較差。 </p><p>　　3．3 模擬電路板動(dòng)、靜態(tài)調(diào)試準(zhǔn)備

19、</p><p>　　在得到了全系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、性能指標(biāo)及電路的正確性檢查后必須對(duì)電路進(jìn)行動(dòng)、靜態(tài)調(diào)試，并建立相應(yīng)的調(diào)試系統(tǒng)。本課題主要采用了虛擬電子工作平臺(tái)(ElectronicsWorkbench, 簡(jiǎn)稱(chēng)EWB)、HP3566、HP信號(hào)源及泰克2012示波器作為工具。</p><p>　　運(yùn)用虛擬電子工作平臺(tái)對(duì)電路進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)仿真分析，運(yùn)用HP3566和HP信號(hào)源、泰克2012示波器組成

20、調(diào)試系統(tǒng)。通過(guò)仿真分析結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)電路中存在的問(wèn)題，并能做到機(jī)理清楚、問(wèn)題復(fù)現(xiàn)。</p><p>　　3．4 單元電路動(dòng)、靜態(tài)調(diào)試</p><p>　　電路板靜態(tài)性能調(diào)試，方法是各功能模塊分別加電測(cè)試，獲得了測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到放大倍數(shù)。給各個(gè)單元電路按傳感器靜態(tài)標(biāo)定的方法輸入不同臺(tái)階的直流電壓信號(hào)用以考察各部分電路的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。有些元器件線性不好、或者在不同臺(tái)階

21、值輸出偏離理論值較大，通過(guò)輸入直流電壓的方法可以檢查出來(lái)。例如在PID電路加電檢查中，其中管腳6在輸入電壓為0~3V時(shí)輸出不正常，正常值應(yīng)為毫伏級(jí)信號(hào)，因此這片PID電路的芯片需要更換。其測(cè)量值見(jiàn)表1。</p><p>　　表1 PID電路靜態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)</p><p>　　電路板動(dòng)態(tài)調(diào)試主要是為了獲得實(shí)際電路中的濾波電路、微分電路、積分電路中的性能指標(biāo)，調(diào)試中給電路施加不同頻率、不同幅值

22、的正弦信號(hào)，得到電路幅頻特性曲線。通過(guò)該項(xiàng)測(cè)試得到了濾波電路的幅頻特性參數(shù)與設(shè)計(jì)值基本一致，微分電路微分常數(shù)、積分電路積分常數(shù)和設(shè)計(jì)值偏差較大，對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，更換了部分元器件，使其達(dá)到性能指標(biāo)。從而基本上解決了核心問(wèn)題。</p><p>　　3．5 全系統(tǒng)性能調(diào)試</p><p>　　在完成單元調(diào)試后，進(jìn)行了全系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)調(diào)試，實(shí)際輸出結(jié)果與理論結(jié)果基本一致。接著進(jìn)行了全系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)試試驗(yàn)，

23、選取了20個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。閉環(huán)調(diào)試試驗(yàn)成功，試驗(yàn)的位移曲線如圖10。</p><p><b>　　4 結(jié)論</b></p><p>　　電路板的調(diào)試通過(guò)電路分析與模塊分解、電路仿真、元器件及連線檢查、單元?jiǎng)屿o態(tài)調(diào)試、全系統(tǒng)開(kāi)環(huán)調(diào)試，2005年6月1日完成了實(shí)物試驗(yàn)，達(dá)到了控制目標(biāo)。說(shuō)明了測(cè)試過(guò)程中得到的單元電路模型是正確的，開(kāi)環(huán)調(diào)試方法是可行的，建立了一種磁懸浮試

24、車(chē)架模擬控制板的離線調(diào)試方法，為以后相關(guān)型號(hào)固體發(fā)動(dòng)機(jī)地面熱試車(chē)系統(tǒng)提供了快速調(diào)試方法。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　本調(diào)試過(guò)程得到806所領(lǐng)導(dǎo)和測(cè)試室同事的大力支持，在此深表感謝！ </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 趙　悅